海底天然氣水合物分解對(duì)海洋鉆井安全的影響

宮智武， 張 亮， 程海清， 劉延民， 任韶然

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國(guó)石油遼河油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，遼寧盤錦 124010 )

海底天然氣水合物分解對(duì)海洋鉆井安全的影響

宮智武1， 張 亮1， 程海清2， 劉延民1， 任韶然1

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國(guó)石油遼河油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，遼寧盤錦 124010 )

為分析天然氣水合物分解對(duì)海洋鉆井安全的影響,根據(jù)海底天然氣水合物特征，結(jié)合天然氣水合物分解動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)條件，研究了不同鉆井工況下天然氣水合物分解產(chǎn)氣規(guī)律，估算了天然氣水合物分解后的產(chǎn)氣量。結(jié)果表明，在鉆進(jìn)天然氣水合物層過(guò)程中，天然氣水合物分解產(chǎn)氣速率和累計(jì)產(chǎn)氣量逐漸增大；在天然氣水合物飽和度一定的情況下，近井天然氣水合物層內(nèi)的天然氣水合物完全分解產(chǎn)氣量與井身軸向半徑呈平方關(guān)系；隨著鉆井液與天然氣水合物層溫差增大，天然氣水合物分解速率呈指數(shù)增長(zhǎng)；淺水區(qū)鉆遇天然氣水合物層易導(dǎo)致其分解，隨著水深增加或井筒壓力增大，天然氣水合物分解越來(lái)越困難。研究表明，鉆穿天然氣水合物層時(shí)，提高鉆進(jìn)速度可減少天然氣水合物分解；鉆井過(guò)程中應(yīng)根據(jù)鉆前預(yù)測(cè)結(jié)果調(diào)整鉆井液溫度和密度來(lái)控制天然氣水合物分解，同時(shí)采取必要的井控措施，以保證在適當(dāng)?shù)奶烊粴馑衔锓纸猱a(chǎn)氣條件下安全鉆進(jìn)。

天然氣水合物 海洋鉆井 井控 分解動(dòng)力學(xué)

隨著全球石油需求量的不斷增長(zhǎng)，由于海洋缊藏大量的石油得到了廣泛關(guān)注[1-3]。然而，海洋鉆井(尤其是深水區(qū))也面臨諸多挑戰(zhàn)[4-6]。其中，天然氣水合物分解會(huì)對(duì)鉆井安全產(chǎn)生重大影響[7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上70%的海洋鉆井受到天然氣水合物等地質(zhì)災(zāi)害的影響，特別是水深超過(guò)610 m后，天然氣水合物將成為海洋鉆井的主要難題[8]。天然氣水合物賦存于水深300 m以深的海底沉積層中，其穩(wěn)定區(qū)溫度為0～10 ℃，壓力為3 MPa以上[9]；天然氣水合物層的孔隙度為33%～48%，飽和度集中于30%～60%內(nèi)[10]。天然氣水合物在海底高壓低溫環(huán)境下保持穩(wěn)定[9]，當(dāng)鉆遇天然氣水合物層時(shí)，由于溫度、壓力條件發(fā)生變化，天然氣水合物開(kāi)始分解產(chǎn)氣，從而對(duì)鉆井安全產(chǎn)生影響。

吳華等[11]根據(jù)溫度壓力條件分析了鉆遇天然氣水合物層的可能性，并描述了天然氣水合物分解對(duì)海洋鉆井的影響。徐加放等[12]通過(guò)試驗(yàn)研究了鉆井液添加劑對(duì)天然氣水合物分解的抑制作用。李令東等[13]運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)海洋鉆井天然氣水合物層的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。孫運(yùn)寶、盧蕾、唐海雄和白玉湖等[14-18]論述了天然氣水合物分解的危害，并采用屬性分析及速度場(chǎng)等方法對(duì)天然氣水合物危害進(jìn)行識(shí)別和預(yù)測(cè)?？傮w上看，目前的研究主要集中于天然氣水合物分解對(duì)海洋鉆井影響及防治方法的定性描述，定量研究較少。國(guó)外相關(guān)研究主要集中于淺層氣、淺層流危害和防治方法的研究，對(duì)天然氣水合物分解的研究很少。因此，筆者基于海底天然氣水合物層特征，結(jié)合天然氣水合物分解動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)條件，定量研究不同工況下天然氣水合物分解規(guī)律及其對(duì)鉆井安全的影響，并提出相關(guān)防治措施。

1 天然氣水合物分解模型的建立

天然氣水合物分解受溫度和壓力的影響，需要結(jié)合動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)條件建立分解模型，研究其在不同鉆井工況下的分解產(chǎn)氣規(guī)律，為定量分析其對(duì)鉆井安全的影響提供基礎(chǔ)。

1.1 天然氣水合物分解動(dòng)力學(xué)模型

天然氣水合物分解產(chǎn)氣速率與壓差的關(guān)系[19]可以表示為：

φSwρw)(φSHρH)(peq-p)

(1)

1.2 天然氣水合物分解熱力學(xué)模型

天然氣水合物分解產(chǎn)氣速率與溫差(流體溫度與天然氣水合物界面溫度之差)的關(guān)系[20]可表示為：

(2)

式中：A為天然氣水合物地層總表面積，m2；ΔT為鉆井液溫度與天然氣水合物層的溫度差，K。

2 天然氣水合物分解對(duì)海洋鉆井安全的影響

海洋鉆井過(guò)程中鉆遇天然氣水合物層時(shí)，由于溫度和壓力發(fā)生改變，天然氣水合物平衡狀態(tài)被破壞而分解產(chǎn)氣，產(chǎn)生的氣體進(jìn)入鉆桿與井壁之間的環(huán)空(見(jiàn)圖1)。天然氣水合物含氣量巨大，1單位體積天然氣水合物分解將產(chǎn)生150～180單位體積的氣體[21],從而在井底產(chǎn)生異常超靜水高壓；而且由于氣體密度低、流度大，產(chǎn)生的氣體在高壓作用下通過(guò)環(huán)空向上運(yùn)移，如果壓差足夠大，就會(huì)發(fā)生井涌、井噴等井下故障。天然氣水合物分解后若不及時(shí)處理，鉆井液因與產(chǎn)生的氣體混合而密度降低，環(huán)空液柱壓力會(huì)降低而不能平衡天然氣水合物層壓力，加快天然氣水合物分解產(chǎn)氣速率，嚴(yán)重威脅鉆井安全。

2.1 天然氣水合物層不同分解半徑下的產(chǎn)氣量

假設(shè)天然氣水合物層厚100 m，巖層孔隙度為0.4，天然氣水合物的飽和度分別為0.3，0.4和0.6，鉆遇天然氣水合物層時(shí)，近井天然氣水合物完全分解時(shí)產(chǎn)氣量隨井身軸線半徑的變化如圖2所示。

從圖2可以看出，在天然氣水合物飽和度一定的情況下，隨著近井天然氣水合物層分解范圍的增加，產(chǎn)氣量呈指數(shù)增長(zhǎng)。若地層內(nèi)天然氣水合物飽和度為0.6，半徑0.5 m內(nèi)的天然氣水合物完全分解時(shí)將產(chǎn)生3 200 m3氣體。這些氣體在井底將產(chǎn)生很大的壓力，造成井涌甚至井噴，危及鉆井安全。

2.2 鉆穿天然氣水合物層過(guò)程中天然氣水合物分解產(chǎn)氣特征

假設(shè)鉆遇厚90 m的天然氣水合物層，天然氣水合物的飽和度為0.6，在0.5 MPa壓差下以30 m/h的速度鉆進(jìn)，鉆井過(guò)程中天然氣水合物分解產(chǎn)氣速率和累計(jì)產(chǎn)氣量隨鉆井時(shí)間的變化情況如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著鉆井的進(jìn)行，天然氣水合物層逐漸被打開(kāi)，在壓差作用下天然氣水合物分解產(chǎn)氣，產(chǎn)氣速率和累計(jì)產(chǎn)氣量逐漸增大。在完全鉆穿天然氣水合物層時(shí)，天然氣水合物分解產(chǎn)氣速率達(dá)到最大(2.0 m3/min)，累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)200 m3。

計(jì)算結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，鉆速提高50%，鉆穿天然氣水合物層時(shí)天然氣水合物分解產(chǎn)氣速率將降低40%，累計(jì)產(chǎn)氣量將降低50%。因此，在技術(shù)安全可行范圍內(nèi)適當(dāng)提高鉆速，有利于控制深水鉆井中天然氣水合物的分解。

2.3 不同溫差下天然氣水合物分解產(chǎn)氣速率

假設(shè)鉆井過(guò)程中鉆遇厚90 m的天然氣水合物層,由于天然氣水合物埋深一般較淺，因此此時(shí)還未下導(dǎo)管和套管。根據(jù)海上鉆井井身結(jié)構(gòu)要求，為了下φ762.0 mm導(dǎo)管，首先需要鉆出φ914.4 mm的井眼。由此計(jì)算天然氣水合物分解產(chǎn)氣速率與溫差(鉆井液溫度與天然氣水合物層的溫度差)之間的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著溫差增大，天然氣水合物分解產(chǎn)氣速率呈指數(shù)增長(zhǎng)；在溫差達(dá)到10 K時(shí)，天然氣水合物分解速率達(dá)到5.0 m3/min，將會(huì)對(duì)海洋鉆井安全產(chǎn)生重大影響。

2.4 不同工況下天然氣水合物分解產(chǎn)氣分析

根據(jù)天然氣水合物平衡相圖(見(jiàn)圖5)，分析不同工況下天然氣水合物分解產(chǎn)氣情況。

在水深超過(guò)3 000 m的海域鉆井時(shí)，海底壓力將達(dá)到30 MPa以上，該條件下鉆井液溫度需達(dá)到25 ℃以上天然氣水合物才能分解。而在實(shí)際鉆井條件下，天然氣水合物層鉆井液的溫度很難達(dá)到25 ℃。因此，超深水鉆井過(guò)程中天然氣水合物通常會(huì)保持穩(wěn)定狀態(tài)。

在水深1 500 m的海域鉆井時(shí)，海底壓力將達(dá)到15 MPa以上，在該壓力下天然氣水合物平衡溫度為17 ℃，若用海底海水鉆進(jìn)，其溫度低于天然氣水合物平衡溫度，天然氣水合物將保持穩(wěn)定；若用海面海水配制的鉆井液鉆進(jìn)，鉆井液溫度將高于天然氣水合物平衡溫度，天然氣水合物將分解產(chǎn)氣，危及鉆井安全。

在水深500 m以下的海域鉆井時(shí)，海底壓力約為5 MPa，對(duì)應(yīng)天然氣水合物平衡溫度為5 ℃，此時(shí)鉆井液溫度高于天然氣水合物平衡溫度，導(dǎo)致天然氣水合物分解產(chǎn)氣。

因此，在淺水區(qū)鉆遇天然氣水合物層時(shí)天然氣水合物最易分解，隨著水深增加，海底壓力逐漸增大，對(duì)應(yīng)的天然氣水合物平衡溫度逐漸升高，天然氣水合物分解越來(lái)越困難。因此，鉆井過(guò)程中尤其要注意淺水區(qū)天然氣水合物的防治問(wèn)題。

此外，天然氣水合物分解后，地層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，地層失去支撐，導(dǎo)致地層不均勻坍塌沉降，甚至造成大規(guī)模的海底滑坡，破壞井壁穩(wěn)定和海底設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鉆井平臺(tái)失穩(wěn)坍塌。孫運(yùn)寶[14]建立了海底天然氣水合物地層穩(wěn)定性模型，研究了天然氣水合物分解導(dǎo)致地層孔隙壓力的變化情況，并分析了天然氣水合物分解對(duì)海底穩(wěn)定性的影響。分析結(jié)果表明，隨著天然氣水合物分解量的增大，海底地層穩(wěn)定性逐漸降低，導(dǎo)致海底地層失穩(wěn)；當(dāng)天然氣水合物分解量很大時(shí)，天然氣水合物支撐體系迅速瓦解，游離氣導(dǎo)致孔隙壓力迅速增大，形成顯著的應(yīng)力積累，迅速達(dá)到上覆巖石的破裂強(qiáng)度，導(dǎo)致海底地層失穩(wěn)，破壞井壁穩(wěn)定和鉆井設(shè)備。同時(shí)，天然氣水合物分解產(chǎn)生的氣體和水在向上運(yùn)移過(guò)程中過(guò)度沖刷井眼，造成井眼變形，對(duì)固井質(zhì)量產(chǎn)生影響，也會(huì)壓扁套管，使井口裝置失去承載能力，從而影響井控。

天然氣水合物分解也會(huì)影響鉆井液性能。鉆遇天然氣水合物層天然氣水合物分解后，大量氣體侵入鉆井液，使鉆井液密度降低，從而影響井眼內(nèi)的壓力平衡。若井筒內(nèi)壓力溫度條件合適，氣體可能再次形成天然氣水合物，堵塞管道，并使鉆井液密度增大。天然氣水合物的分解和形成過(guò)程中會(huì)吸收和放出大量熱量，造成鉆井液溫度不斷變化，導(dǎo)致鉆井液性能(黏度、密度和切力等)發(fā)生變化[18]，影響鉆井安全。

3 天然氣水合物分解預(yù)防及控制措施

海底天然氣水合物分解將對(duì)鉆井安全產(chǎn)生重大危害，必須采取有效措施，減小其對(duì)鉆井安全的影響。

3.1 天然氣水合物鉆前識(shí)別

鉆井過(guò)程中要控制天然氣水合物分解危害，最有效的手段是鉆前識(shí)別，布井時(shí)避開(kāi)天然氣水合物潛在區(qū)域。天然氣水合物層具有獨(dú)特的地球物理特征，為海底天然氣水合物層的鉆前識(shí)別提供了依據(jù)。天然氣水合物沉積層一般未固結(jié)，表現(xiàn)出孔隙度大、反射空白和地層滲透率降低(固體天然氣水合物)等特征;也可利用天然氣水合物縱波波阻抗、橫波波阻抗、縱橫波速度比和泊松比等特征參數(shù)識(shí)別海底天然氣水合物層。

3.2 控制天然氣水合物分解

如果鉆井過(guò)程中鉆遇天然氣水合物層，首先應(yīng)采取措施控制天然氣水合物的分解。最常用的方法是適當(dāng)增大鉆井液密度，保持鉆井過(guò)程中天然氣水合物層高壓環(huán)境，控制天然氣水合物分解。以上研究表明，井眼周圍天然氣水合物分解產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量隨鉆井液溫度升高、施工作業(yè)時(shí)間增長(zhǎng)而增大。因此，鉆井過(guò)程中為控制天然氣水合物分解，保持井壁穩(wěn)定，應(yīng)選擇造壁性好的低溫鉆井液，適當(dāng)增大液柱壓力，并提高作業(yè)效率，縮短施工時(shí)間。

此外，周文軍[23]建立了深水鉆井鉆遇天然氣水合物層井筒多相流動(dòng)模型，根據(jù)天然氣水合物的分解特征，提出鉆井過(guò)程中采用壓力控制法、溫度/壓力控制法和化學(xué)穩(wěn)定法等方法抑制天然氣水合物分解。徐加放等[12]進(jìn)行了鉆井液添加劑抑制天然氣水合物分解的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)抑制劑復(fù)配的鉆井液，可以適當(dāng)延緩天然氣水合物的分解時(shí)間，降低由于天然氣水合物分解造成井噴的概率。

3.3 天然氣水合物分解后的井控

鉆井過(guò)程中一旦天然氣水合物大量分解，必須采取井控措施，減小其危害。徐鵬等[24-25]提出采用動(dòng)力壓井方法處理鉆井中的淺層氣(包括天然氣水合物分解)，并建立模型計(jì)算了壓井排量。結(jié)果表明，動(dòng)力壓井初期，由于氣體膨脹，動(dòng)力壓井排量會(huì)有所增大；當(dāng)氣體逐漸排出井筒后，排量會(huì)有所下降,直至最后趨于穩(wěn)定。在實(shí)際動(dòng)力壓井過(guò)程中,為保證井壁穩(wěn)定，應(yīng)不斷調(diào)整壓井排量。建議在鉆井初期使用大直徑鉆具，從而縮小環(huán)空橫截面積，保證動(dòng)力壓井作業(yè)順利實(shí)施。M.Bogaerts等[26]研究了控制海洋鉆井過(guò)程中淺層流(包括天然氣水合物分解)危害的固井技術(shù)，指出對(duì)淺層流的早期識(shí)別將為優(yōu)化固井作業(yè)提供時(shí)間，從而降低淺層流危害。研究表明，套管扶正、有效清洗鉆井液以及水泥漿選擇等3個(gè)因素決定了淺層流區(qū)域(包括天然氣水合物分解)固井作業(yè)成功與否。如果有淺層流(包括天然氣水合物分解)存在，表層套管必須適當(dāng)扶正，以保證表層套管周圍流體的正常流動(dòng)，并且選用性能更優(yōu)、密度合適的泡沫水泥漿或顆粒優(yōu)化水泥漿。Todd B Ellis等[27]指出，用常規(guī)方法無(wú)法抑制淺層流(包括天然氣水合物分解)，必須優(yōu)化固井設(shè)計(jì)。Todd B Ellis等還綜合考慮水泥凝結(jié)時(shí)間、低溫環(huán)境、地層低破裂壓力梯度以及高速鉆進(jìn)導(dǎo)致的井眼擴(kuò)大等因素，研發(fā)了一種新型水泥漿，取得了良好的應(yīng)用效果。張輝等[28]提出采取使用海底分流器、化學(xué)鉆井液和利用導(dǎo)管穿過(guò)天然氣水合物層等措施，抑制天然氣水合物分解。

4 結(jié) 論

1) 海底天然氣水合物分解后的產(chǎn)氣量隨著分解半徑和溫差增大呈指數(shù)增長(zhǎng)，隨著鉆井速度降低而急劇增大；而隨水深和井筒壓力增大，天然氣水合物分解越來(lái)越困難。

2) 根據(jù)海底天然氣水合物層特征和天然氣水合物分解模型，定量分析了不同鉆井條件下天然氣水合物分解產(chǎn)氣特征。與現(xiàn)有定性分析方法相比，定量分析可以為評(píng)估天然氣水合物分解對(duì)鉆井安全的影響提供更加可靠具體的依據(jù)。

3) 建議進(jìn)一步優(yōu)化模型，提出綜合考慮動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的天然氣水合物分解模型；定量研究采取相應(yīng)措施后天然氣水合物的分解產(chǎn)氣特征，以優(yōu)化措施參數(shù)。

4) 建議根據(jù)鉆井區(qū)實(shí)際條件，從鉆前識(shí)別避開(kāi)天然氣水合物層布井、調(diào)整鉆井液的溫度和密度并提高作業(yè)效率控制天然氣水合物分解和采取優(yōu)化的井控措施等方面入手，降低由于天然氣水合物分解而導(dǎo)致的危害。

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[編輯 滕春鳴]

The Influence of Subsea Natural Gas Hydrate Dissociation on the Safety of Offshore Drilling

Gong Zhiwu1, Zhang Liang1, Cheng Haiqing2, Liu Yanmin1, Ren Shaoran1

(1.SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong, 266580,China; 2.ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,PetroChinaLiaoheOilfieldCompany,Panjin,Liaoning, 124010,China)

When subsea natural gas hydrate (NGH) dissociation is encountered, offshore drilling safety is notably influenced. Gas production performances of NGH were analyzed and gas production after hydrate deposition was estimated under different drilling conditions according to the dynamics and thermodynamics of NGH dissociation. The calculations were based on the fundamental characteristics of subsea NGH, which provided the basis for evaluating quantitatively the influence of natural gas hydrate dissociation on the safety of offshore drilling. The results showed that as drilling proceeded through hydrate bearing zones, gas production rate and cumulative gas production of hydrate dissociation tends to rise, and that the gas production was in a squared exponential relationship with the NGH dissociation radius under certain NGH saturation. NGH dissociation rate rose exponentially with the increase of the temperature difference between drilling fluid and NGH sediment, and drilling through hydrate layers in shallow water tended to break it down and as water depth and wellbore pressure rised, NGH dissociation became more difficult. Increasing the drilling rate was preferable for reducing NGH dissociation when drilling through hydrate layers. It was demonstrated that NGH control during offshore drilling should focus on NGH prediction before drilling, and that drilling fluid density and temperature adjustment and essential well control measures should be taken to ensure drilling safety under the condition of certain gas hydrate decomposition

natural gas hydrate； offshore drilling； well control； dissociation dynamics

2015-04-21；改回日期：2015-06-24。

宮智武(1991—)，男，山東煙臺(tái)人，2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，油氣田開(kāi)發(fā)專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事深水鉆井淺層地質(zhì)災(zāi)害防控和天然氣水合物開(kāi)發(fā)方面的研究。

張亮，15053259740，zhangliangkb@163.com。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目 “深水鉆井淺層地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理及預(yù)測(cè)方法”(編號(hào)：2015CB251201)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目“海底天然氣水合物富集成藏機(jī)理及數(shù)值模擬研究”(編號(hào)：15CX05036A)聯(lián)合資助。

?“973”深水鉆井專題?

10.11911/syztjs.201504004

TE254

A

1001-0890(2015)04-0019-06

聯(lián)系方式：18765921351，s14020263@s.upc.edu.cn。